No caso de movimento rápido de materiais bidimensionais, mesmo uma ligeira mudança rotacional entre as camadas pode mudar drasticamente o comportamento de um material. Os cientistas descobriram anteriormente que quando cristais atomicamente finos são empilhados com uma pequena incompatibilidade angular, as suas propriedades electrónicas podem ser transformadas. Este método, conhecido como engenharia Moiré, tornou-se uma técnica chave para projetar novas formas de materiais quânticos.
Agora os pesquisadores relatam Nanotecnologia da Natureza Esse magnetismo pode se comportar de maneira surpreendente nessas condições. Em camadas antiferromagnéticas torcidas, os padrões de spin magnético não estão confinados a pequenas células unitárias moiré repetidas. Em vez disso, eles podem se espalhar em estruturas topológicas muito maiores, que abrangem centenas de nanômetros.
Textura magnética maciça além do padrão moiré
Na maioria dos sistemas moiré, o tamanho do efeito físico é diretamente determinado pelo padrão de interferência criado quando duas redes cristalinas se sobrepõem. Esperava-se que a ordem magnética dos ímãs de van der Waals empilhados seguisse amplamente essa mesma escala de comprimento. Novas descobertas desafiam essa suposição.
A equipe desenvolveu triiodeto de cromo de dupla camada torcida (CrI3) usando magnetometria de varredura de nitrogênio-vácuo, uma técnica que gera imagens de campos magnéticos com precisão em nanoescala. Eles observaram texturas magnéticas atingindo distâncias de até ~300 nm, que é muito maior que o tamanho de uma única célula moiré e cerca de dez vezes maior que o comprimento de onda intrínseco.
Um efeito de ângulo de torção contra-intuitivo
Os resultados revelaram um padrão inesperado. À medida que o ângulo de torção diminui, o comprimento de onda moiré aumenta. No entanto, as texturas magnéticas não crescem apenas com isso. Em vez disso, seu tamanho varia inversamente, atingindo um máximo em torno de 1,1° e desaparecendo acima de ~2°.
Esta inversão mostra que o magnetismo não está apenas copiando o modelo moiré. Em vez disso, surge de um equilíbrio entre várias forças concorrentes, incluindo interações de troca, anisotropia magnética e interações Dzaloshinski-Moria. Tudo isso é ajustado pela forma como as camadas são giradas umas em relação às outras. Simulações de dinâmica de spin em grande escala respaldam essa interpretação, demonstrando a formação de skyrmions antiferromagnéticos estendidos do tipo azul que abrangem múltiplas células moiré.
Skyrmions e Spintrônica de Baixa Energia
Esses resultados são importantes além da física fundamental. Skyrmions são promissores para o futuro da tecnologia da informação porque são pequenos, estáveis e seguros pela sua topologia. Eles podem ser movidos usando muito pouca energia. Simplesmente ajustando o ângulo de torção sem litografia, metais pesados ou fortes correntes elétricas, eles fornecem um caminho limpo e orientado pela geometria em direção a dispositivos spintrônicos de baixa potência.
Os pesquisadores descrevem esse fenômeno como uma ordem de spin supermoiry, destacando que a engenharia de torção funciona em múltiplas escalas. Mudanças no alinhamento atômico podem criar estruturas topológicas em distâncias muito grandes e de mesoescala. Isso desafia a noção de longa data de que a física moiré é apenas um efeito local e posiciona o ângulo de torção como um poderoso parâmetro de controle termodinâmico capaz de garantir troca, anisotropia e interações quirais para estabilizar fases topológicas.
Do ponto de vista prático, essas texturas skyrmiônicas grandes e fortes do tipo Néel são adequadas para integração em dispositivos. Seu tamanho maior os torna mais fáceis de detectar e manipular. Ao mesmo tempo, sua proteção topológica e material isolante sugerem perdas de energia extremamente baixas durante a operação. À medida que os cientistas continuam a explorar como a geometria molda o comportamento quântico, esses estados magnéticos emergentes podem desempenhar um papel importante no desenvolvimento de tecnologias de computação pós-CMOS com eficiência energética.
Elton Santos, leitor de física teórica / computacional da matéria condensada da Universidade de Edimburgo, cuja equipe liderou o aspecto de modelagem do projeto, disse:”Esta descoberta mostra que a flexão não é apenas um nó eletrônico, mas magnético. Vemos a ordem de rotação coletiva se auto-organizando em uma escala maior do que abrir uma porta. Projetar estados magnéticos topológicos controla apenas o ângulo, o que tem consequências práticas profundas. Um manuseio extremamente fácil. “
